Нейтрино
Мы уже говорили об асимметрии между материей и антиматерией и о том, что это естественно для Вселенной. Но при изучении странных частиц это стало сенсацией. Однако, чем больше собиралось данных, становилось все более ясно, что явления, включающие кварки и антикварки, не могут объяснить количественное полное доминирование материи во Вселенной сегодня. В последнее время ученые обратили внимание на лептоны и нейтрино.
Название «лептоны» происходит от греческого слова, означающего «легкий». Название появилось в 1948 году и было выбрано, потому что все известные в то время лептоны были значительно легче тяжелых частиц, входящих в класс барионов, название которых происходит от греческого слова «тяжелый». Сейчас это уже не вполне соответствует реальному положению дел, поскольку открытый в 1977 году тау-лептон примерно в два раза тяжелее самых легких барионов. Лептоны – это элементарные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии. Лептоны вместе с кварками (которые участвуют во всех четырех взаимодействиях, включая сильное) составляют класс фундаментальных фермионов – частиц, из которых состоит вещество и у которых, насколько нам известно, отсутствует внутренняя структура.
Несмотря на то что до сих пор никаких экспериментальных указаний на неточечную структуру лептонов не обнаружено, делаются попытки построить теории, в которых лептоны и кварки были бы составными объектами. Рабочее название для гипотетических частиц, составляющих кварки и лептоны, – преоны, и мы их уже упоминали. Существует три поколения лептонов: электрон и электронное нейтрино (первое поколение); мюон и мюонное нейтрино (второе поколение); тау-лептон и тау-нейтрино (третье поколение) и, конечно, соответствующие античастицы. Таким образом, получается, что в каждое поколение входит отрицательно заряженный лептон, положительно заряженный антилептон и нейтральные нейтрино и антинейтрино. Все они обладают ненулевой массой, хотя масса нейтрино весьма мала по сравнению с массами других элементарных частиц. Каждому заряженному лептону (электрон, мюон, тау-лептон) соответствует легкий нейтральный лептон – нейтрино. Ранее считалось, что каждое поколение лептонов обладает своим так называемым флейворным лептонным зарядом – то есть лептон может возникнуть только вместе с антилептоном из своего поколения, так, чтобы разность количества лептонов и антилептонов каждого поколения в замкнутой системе была постоянной. Эта разность называется электронным, мюонным или тау-лептонным числом, в зависимости от рассматриваемого поколения. Лептонное число лептона равно +1, антилептона –1.
С открытием осцилляций нейтрино было обнаружено, что это правило нарушается: электронное нейтрино может превратиться в мюонное или тау-нейтрино. Таким образом, флейворное лептонное число не сохраняется. Однако процессов, в которых не сохранялось бы общее лептонное число (не зависящее от поколения), пока не обнаружено. Закон сохранения лептонного числа является экспериментальным фактом и пока не имеет общепринятого теоретического обоснования.
Слово «нейтрино» происходит от итальянского, которое можно перевести как «нейтрончик», это уменьшительное от «нейтрон». Это стабильная незаряженная элементарная частица, долго считалось, что это частица с нулевой массой, теперь признано, что – с очень малой. Нейтрино участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях и поэтому чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Различают электронное нейтрино, всегда выступающее в паре с электроном или позитроном, мюонное нейтрино в паре с мюоном, и тау-нейтрино, связанное с тяжелым лептоном. Каждый тип нейтрино имеет свою античастицу, отличающуюся от нейтрино знаком соответствующего лептонного заряда и спиральностью. Нейтрино имеют левую спиральность (спин направлен против движения частицы), а антинейтрино – правую (спин направлен по направлению движения). Одним из перспективных направлений использования нейтрино является нейтринная астрономия, так как звезды кроме света излучают значительный поток нейтрино, которые возникают в процессе ядерных реакций. Поскольку на поздних стадиях звездной эволюции за счет нейтрино уносится до 90 % излучаемой энергии, то изучение свойств нейтрино помогает лучше понять динамику астрофизических процессов. Кроме того, нейтрино без поглощения проходят огромные расстояния, что позволяет обнаруживать и изучать еще более удаленные астрономические объекты. Еще одним практическим применением является развиваемая в последнее время нейтринная диагностика промышленных ядерных реакторов. В ряде стран ведутся работы по созданию нейтринных детекторов, способных в режиме реального времени измерять нейтринный спектр реактора и тем самым контролировать как мощность реактора, так и композитный состав топлива. Теоретически потоки нейтрино могут быть использованы для создания средств связи, что привлекает интерес военных: частица теоретически делает возможной связь с подводными лодками, находящимися на глубине, или передачу информации сквозь Землю. Нейтрино, образующиеся в результате распада радиоактивных элементов внутри Земли, могут использоваться для изучения внутреннего состава Земли. Измеряя потоки геологических нейтрино в разных точках Земли, можно составить карту источников радиоактивного тепловыделения внутри Земли.
То есть у нейтрино нет электрического заряда, очень малая масса, они могут проходить сквозь Землю, как пуля сквозь туман, и они до сих пор остаются такими таинственными, что через полвека после их открытия мы все еще знаем о них меньше, чем о других частицах. Тем не менее в последние годы ученые стали подозревать, что именно они скрывают тайну отсутствия антиматерии во Вселенной.
Нейтрино – это материя или антиматерия? У них нет электрического заряда, как у протона или Z0, но в отличие от этих бозонов, которые не являются ни материей, ни антиматерией, нейтрино – это фермион, а это означает, что к нему применимо уравнение Дирака и он имеет отношение к материи или антиматерии. Так что отличает нейтральный нейтрино от нейтрального антинейтрино?
В отличие от нейтрона и антинейтрона, которые отличаются внутренним строением из кварков или антикварков, у нейтрино нет внутренней структуры. Это блуждающий кусочек кружащегося ничего, который движется сквозь пространство почти со скоростью света. Легкое вращение – это почти все, что делает нейтрино, но этого достаточно, чтобы решить загадку материи или антиматерии. Квантовая теория также подразумевает, что нейтрино могут мгновенно превращаться в электрон и W+, а антинейтрино могут аналогично превращаться в позитрон и W—. Это позволило бы их различать – если бы мы могли это наблюдать практически, но наши возможности пока этого не позволяют. На протяжении 50 лет указанное вращение использовалось для того, чтобы отличать нейтрино, материю, от антинейтрино, антиматерии. Но в последние годы появилась теория, утверждающая, что в то время как фотоны (и другие бозоны) – это и не материя, и не антиматерия, тяжелые типы нейтрино – это и то и другое! Если такие странные вещи формировались в котле Большого взрыва, то их «потомство» сегодня должно быть в неравной степени распределено между тем, что мы называем материей и антиматерией.
Так откуда взялись нейтрино? Их производят некоторые формы радиоактивности. Когда протон в ядре превращается в нейтрон, изменение энергии материализуется как позитрон и нейтрино. Электрический заряд и общее число фермионов (под этим общим числом имеется в виду количество фермионов материи минус фермионы антиматерии) сохраняется. Вначале был один положительный заряд, который нес в себе протон, и в конце тоже имеется один положительный заряд. Общее число фермионов сохраняется, поскольку позитрон антиматерии уравновешивается нейтрино материи. И наоборот, когда нейтрон распадается, оставляя протон, появляются электрон и антинейтрино.
Если в дальнейшем нейтрино или антинейтрино столкнутся с материей, то выдадут себя, запустив обратный процесс. Нейтрино превращает нейтрон в протон, сопровождаемый электроном. Антинейтрино превращает протон в нейтрон, сопровождаемый позитроном.
Нейтрино могут вращаться, как электроны. Как мы знаем, у электронов есть электрический заряд, а благодаря своему спину они напоминают маленькие магниты. В своем полете они ориентируются или на Северный, или на Южный полюс. Мы можем представить это в виде штопора, который можно вращать в одну или другую сторону – вправо или влево, против часовой стрелки или по часовой. У нейтрино нет электрического заряда, но к нему применимо то, что мы сказали про спин – вращение может совершаться как по часовой стрелке, так и против.
В экспериментах, проводившихся на протяжении свыше 50 лет, казалось, что нейтрино вращается только по часовой стрелке, в то время как антинейтрино – наоборот. Это подобно стрелкам будильника – если мы посмотрим на их ход в зеркале, то покажется, что они идут вспять. Если мы посмотрим на нейтрино в зеркале, он поменяется на антинейтрино? Вначале нужно задать вопрос: а как нам узнать, нейтрино это или антинейтрино, кроме как по направлению вращения? Есть ли еще какой-то показатель, помогающий идентифицировать нейтрино как частицу, а антинейтрино как античастицу? Если такого показателя нет, то остается одно направление вращения. Или все-таки есть?
На этом этапе нужно задуматься о том, что мы имеем в виду под словом «античастица». Под обычной материей мы понимаем отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны. Положительная версия электрона называется «позитрон», а если бы отрицательная версия протона называлась «негатон», то они были бы просто двумя новыми частицами. Но называя их антиэлектроном и антипротоном и сосредоточивая внимание на их способности уничтожать свои вторые «Я», мы приходим в возбуждение от «антиматерии», и начинает работать воображение. Когда речь идет о нейтрино, мы имеем дело с частицами, не являющимися обычным делом в нашем материальном мире. Они пролетают мимо как призраки, редко обнаруживая себя, и определенно не попадают в ловушку внутри материи. Вместо того чтобы думать о нейтрино и антинейтрино как частях материи и антиматерии и определять, что есть что по их родству с электроном или позитроном, как обычно делалось, мы можем просто сказать, что имеем дело с нейтрино: при вращении по часовой стрелки он предпочитает электроны (нейтрино с левым спином), а при вращении против часовой стрелки – позитроны (нейтрино с правым спином).
На протяжении полувека считалось, что нейтрино не имеют массы и вращаются, как штопор, в пространстве со скоростью света. Однако в последние пять лет было обнаружено, что это не так. У нейтрино, которые были эмитированы в процессе обычной радиоактивности или в процессах ядерного распада в центре Солнца, имеется крошечная масса. Она так мала, что пока еще никому не удалось ее измерить. Но если бы у нас появились субатомные весы, то потребовалось бы по меньшей мере 10 000 нейтрино для уравновешивания одного электрона.
Это очень маленькая частица, но значение нейтрино может быть огромным. Теория относительности Эйнштейна подразумевает, что фермион, летящий со скоростью света, остается или вращающимся по часовой стрелке, или вращающимся против часовой стрелки, и вращение не может поменяться с одного на другое. Частицы, у которых есть масса и к которым, как мы теперь знаем, относится нейтрино, могут вращаться или влево, или вправо, и возможно, что в результате взаимодействия с другими частицами они могут изменить направление вращения, превратившись из частиц, вращающихся по часовой стрелке, в частицы, вращающиеся против. Так что для нейтрино возможно вращаться или по часовой стрелке, или против часовой стрелки. И то же самое относится к антинейтрино.
Открытым остается вопрос, следуют ли эти туманные сущности правилу «материя по часовой стрелке, антиматерия против часовой стрелки», или нейтрино является одновременно материей и антиматерией в том смысле, что нейтрино и его античастица неразличимы. На эту возможность указал Этторе Майорана вскоре после появления уравнения Дирака. Майорана предложил протон-нейтронную модель атомного ядра и изучал обменные ядерные силы. В 1937 году Майорана сформулировал двухкомпонентную теорию, предсказал существование так называемых фермионов Майораны – частиц, одновременно являющихся собственными античастицами. Впервые они были обнаружены только в 2012 году. В физике частиц в наши дни одной из самых интересных тем является использование природой «нейтрино Майораны». Это может сыграть важную роль в объяснении происхождения Вселенной, в которой доминирует материя.
Этторе Майорана (род. в 1906 году) – итальянский физик-теоретик, работавший в теории нейтрино. Гениальный ученик Э. Ферми. В 1937 году сформулировал двухкомпонентную теорию, предсказал существование частиц, одновременно являющихся собственными античастицами (впервые они были обнаружены лишь в 2012 году). Бесследно исчез
Если бы у нейтрино не было массы, они все равно оставались бы таинственными, но тем не менее подпадали бы под общее описание частиц и сил, которое называется «Стандартной моделью». Различные версии стали строиться при попытке понять, почему у нейтрино такая маленькая масса, практически равная нулю в сравнении с электроном и позитроном. Есть теория о том, что в дополнение к известным легким нейтрино существуют еще и очень массивные нейтрино Майораны, которые еще предстоит открыть. Для гипотетических частиц даже придумали название – майороны.
Если это так и сегодня майороны просто остаются вне пределов нашей досягаемости, то они были созданы во время Большого взрыва вместе со всем остальным. Это может иметь поразительные последствия для природы нынешней Вселенной.
Если майороны вымерли, то в современной Вселенной находится их потомство. Теоретически майорон – это массивный нейтральный фермион, который может излучать энергию в форме бозона Хиггса и превращаться в нейтрино или антинейтрино. Может получаться три типа нейтрино или соответствующих антинейтрино, и нет оснований считать, что майорон распадется на нейтрино и антинейтрино в равной степени. Это предполагает, что майороны выжили в апокалипсисе Великой Аннигиляции и кое-что оставили нам после себя.
Сразу же после Большого взрыва, когда Вселенная еще была очень горячей, майороны должны были находиться в термическом равновесии – они постоянно формировались и распадались. Однако Вселенная стала быстро остывать, и наступил момент, когда энергии стало недостаточно для формирования новых майоронов, и умирающие больше не заменялись новыми. Майороны вымерли и никогда больше не появились снова, но выжило их потомство. Это неуравновешенная популяция нейтрино и антинейтрино, которые сформировались как «ископаемые останки» умерших майоронов.
Это был важнейший первый шаг для производства нейтрино. Затем, немного позже, в охлаждающейся Вселенной из энергии сформировались кварки и антикварки, электроны и позитроны. Дополнительные кварки и антикварки формировались в процессе столкновения нейтрино и антинейтрино с электронами и позитронами. А вскоре стало слишком холодно для формирования еще большего количества. Так какой вклад внесли майороны? Их гибель привела к рождению дисбаланса между нейтрино и антинейтрино. Затем мириады частиц и античастиц ударялись об асимметричную смесь нейтрино и антинейтрино – и таким образом получились лишние кварки, количество которых превышает количество антикварков.
Затем Великая Аннигиляция уничтожила всю антиматерию вместе с уравновешенной с нею материей. Потомство майоронов сформировало кривобокую Вселенную, в которой осталась горсточка лишних кварков на каждые 10 миллиардов кварков и антикварков, которые исчезли. Выжившие охладились для формирования Вселенной с доминирующей материей, в которой протоны стабильны и существует та материя, которую мы знаем.
На сегодняшний день это – лучшая теория, объясняющая асимметрию между материей и антиматерией. Во время новых экспериментов в Большом адронном коллайдере ученые будет искать доказательства существования майоронов, уже ведется их поиск в космическом излучении. Но пока майороны не найдены и теория хотя и приводит в возбуждение, но остается недоказанной. Ясно, что асимметрия между материей и антиматерией возникла, когда Вселенная была моложе и горячее, чем могут смоделировать современные аппараты. И не будем забывать, что цель изучения антиматерии – это получение нового источника энергии.
